[发明专利]一种基于激光跟踪仪非接触式测量大口径光学元件面形的方法

说明书

本发明公开了一种基于激光跟踪仪非接触式测量大口径光学元件面形的方法，采用气浮靶标作为激光跟踪仪测量合作靶标测量光学元件表面；通过对气浮靶标供气，使气浮面微孔输出稳定的高压气流，在气浮面与光学元件表面形成固定大小的气隙层，达到非接触测量的目的。使用激光跟踪仪结合气浮靶标非接触扫描测量光学元件轮廓，对扫描点进行处理后得到面形误差。本发明方法在面形测量过程中不与光学元件接触和摩擦，能够有效保护光学镜面，可以实现快速扫描测量，降低环境对面形测量的影响；相对于传统点接触，本方法单次采样区域为气浮面口径，具有采样均化效应，同时，角锥方向可以固定指向跟踪仪，不会引入偏心误差，具有良好的精度及重复性。

技术领域

本发明属于光学测试领域，具体涉及一种基于激光跟踪仪非接触式测量大口径光学元件面形的方法。

背景技术

随着现代科技的发展，大口径光学元件因具有优异的光学特性，在光学工程领域中得到了广泛应用，目前对大口径光学元件的需求也在持续的增加。随着光学元件口径的不断增大，其在加工和检测上也都面临着巨大的挑战。

激光跟踪仪因具有柔性测量、测量范围大、动态性能好、精度高等优点，已被成功应用于大口径光学元件在研磨及初抛光阶段的面形在位检测之中。目前采用激光跟踪仪测量大口径光学元件面形的方式为：将激光跟踪仪置于待测面顶点曲率半径位置处，利用其合作靶标球形角锥镜与待测面接触并获取角锥镜中心坐标，移动球形角锥镜扫描测量光学元件表面获取整个表面的轮廓坐标信息，再对所获取测量点坐标进行半径补偿，计算分析获得面形误差。

利用球形角锥镜配合激光跟踪仪接触式扫描测量大口径光学元件面形有以下不足：

(1)在镜面处于抛光阶段，球形角锥镜的接触扫描会对镜面产生划伤风险；

(2)接触扫描产生的摩擦会使球形角锥镜接触点磨损，降低球形角锥镜精度，影响面形测量精度；

(3)点接触式扫描易受灰尘及光学元件表面加工残余物的影响，引入面形测量误差；

(4)激光跟踪仪采用有限采样点拟合面形，而现有扫描测量仅获取接触点的信息，光学表面的局部及高频误差会影响面形拟合的精度。

发明内容

本发明目的是解决上述激光跟踪仪接触式测量大口径光学元件面形的不足，提供一种基于激光跟踪仪非接触式测量大口径光学元件面形的方法。本方法是采用气浮靶标作为激光跟踪仪测量合作靶标测量光学元件表面；通过对气浮靶标供气，使气浮面微孔输出稳定的高压气流，在气浮面与光学元件表面形成固定的气隙层，达到非接触扫描测量的目的。

本发明采用的技术方案为：一种基于激光跟踪仪非接触式测量大口径光学元件面形的方法，包括以下步骤：

步骤一：选取气浮垫

气浮垫口径应根据光学元件顶点曲率半径及气浮垫气隙特性决定，对于大曲率半径光学元件面形测量，可选取小口径平面气浮垫；对于小曲率半径光学元件面形测量，可以选择球形气浮垫；

步骤二：气浮靶标组装及标定

(1)如图2、3所示，将气浮垫1安装于连接座3底部安装孔内，角锥镜2安装于连接座3上端安装孔内，完成气浮靶标组装；

(2)将角锥镜中心与气浮垫气浮面调至同心；

(3)标定气浮靶标有效偏离值；

步骤三：使用气浮靶标扫描测量面形

使用激光跟踪仪结合气浮靶标扫描测量光学元件表面，获取气浮靶标在表面移动时角锥镜中心的位置坐标；

步骤四：气浮靶标有效偏离值补偿

结合光学元件的面形方程，利用标定的气浮靶标有效偏离值对原始测量坐标数据进行偏离补偿，补偿后的坐标点即为光学元件表面点坐标；